Теоретические и методологические проблемы экологии
в последние десятилетия привлекают все большее внимание исследователей.
Великие экологические обобщения, такие, как понятия биосферы, биологического
круговорота вещества,природных популяций, растительного покрова и
животного населения, позволяют в хаосе фактов отыскивать закономерности
и таким образом сводить бесконечное разнообразие Природы в изящную
теорию ее организации. Раздвигая границы понимания, теория непременно
расширяет и тот круг явлений, которыми человек может управлять. А
это особенно актуально сейчас в связи с угрозой глобального экологического
кризиса. Именно в экологии сегодня наиболее справедливо высказывание
о том, что нет ничего более практичного, чем хорошая теория.
Наше исследование посвящено одному из аспектов организации
растительного покрова - его флористическому разнообразию в пространстве
в пределах одного ландшафтного района. Такой предмет исследования
не нов, это традиционный подход геоботаники, изучающей изменение растительности
в связи с влиянием эдафических и ценотических фактов. Однако мы попытаемся
рассмотреть внутриландшафтную хорологическую неоднородность растительного
покрова с позиций флористики,т.е. с позиции таксономического, а не
ценотического разнообразия. Разумеется, работа на стыке трех наук
(флористики, геоботаники и ландшавтоведения) потребует использования
понятийного аппарата этих наук. Нам придется использовать их понятия,
соотносить их друг с другом, иногда вступать в противоречия с уже
сложившимися представлениями о предмете флористических исследований.
Для того чтобы максимально уменьшить непонимание и
раздражение читателей, считаю необходимым дать определение основных
понятий и трактовку терминов, которыеиспользуются в настоящей работе.
Большинство понятий и терминов применяются в традиционном, устоявшемся
смысле, но ряд понятий поясняются более подробно, так как в литературе
разными авторами они используются для обозначения разных сущностей.
В отдельных случаях применение одного и того же понятия разными авторами
прямо противоположно. Отчасти этим можно объяснить теоретические споры
разных ботаников. Они происходят не по существу, а оттого, что те
же термины разными учеными применяются в разном смысле.
В последнее время, особенно в американской и японской
ботанической литературе наметилось пренебрежение вопросами теории
растительного покрова и разработкой системы понятий науки о растительном
покрове. Все больше появляется статей узко прагматического содержания.
Этот уход от теории стал характерен и для нашей отечественной научной
литературы. Журналы ботанического направления, кажется, намеренно
стараются не касаться теоретических вопросов геоботаники и флористики,
дабы быть похожими на таковые, выходящие за рубежом.
Под биосферой нами понимается глобальная экологическая
система биогенной миграции химических элементов, способная к сохранению
и поддержанию подвижного биогеохимического равновесия между литосферой,
атмосферой, гидросферой и биотой. Центральное место в цепи перехода
химических элементов из одного состояния в другое принадлежит биоте.
Обеспечивая круговорот элементов, биота получает из внешней среды
не только вещество и энергию, но и негэнтропию, или разнообразие в
широком смысле. Увеличение в биосфере негэнтропии и составляет, по-видимому,
сущность процесса биологической эволюции. В процессе эволюции происходит
превращение негэнтропии экосистем в информацию генетических структур.
Сказанное выше требует некоторого пояснения. Биосфера здесь понимается
как вещественная система, включающая живые организмы (живое вещество),
а также погибшие организмы, не полностью разложившиеся (мертвое органическое
вещество биогенного происхождения), неорганические вещества атмосферы,
гидросферы и литосферы, вовлеченные в биологический круговорот (углерод,
кислород, азот, кальций, калий и др.) Биосфера возникла и функционирует
как система химического и энергетического взаимодействия атмосферы,
гидросферы и литосферы в постоянно циклически изменяющихся условиях.
Циклы изменения физических и химических параметров на Земле бывают
суточными, годичными, одиннадцатилетними, вековыми и т.д. вплоть до
галактического года длительностью примерно в 200 миллионов лет. За
200 млн. лет Солнечная система обращается вокруг центра нашей Галактики.
Главная причина постоянно идущих химических процессов на Земле – это
наличие градиентов концентрации веществ, всевозможных неоднородностей
в распределении атомов разных химических элементов, неоднородности температуры
и давления, неравномерного притока солнечной энергии и т.д. Причем эти
неоднородности, согласно второму началу термодинамики, в результате
химических взаимодействий, ветров и течений постоянно выравниваются.
Казалось бы, что за многие миллионы лет все неоднородности должны исчезнуть,
- таков закон возрастания энтропии. Однако они не исчезают. Почему?
Потому что в природе происходит постоянное воспроизводство неоднородностей,
в результате ряда процессов энтропия на поверхности планеты снижается,
а негэнтропия, напротив, увеличивается.
Негэнтропия в биосферу постоянно поступает в результате
эндогенных геологических процессов, формирующих на планете многочисленные
термодинамические градиенты, связанные с неоднородностью в распределении
атомов различных химических элементов, минералов и горных пород, с разными
агрегатными состояниями вещества. Негэнтропия возрастает также благодаря
неравномерности потока солнечной энергии на единицу поверхности, разной
высоте самой поверхности относительно уровня мирового океана.
В известной степени биосфера работает как обычная термодинамическая
машина с коэффициентом полезного действия менее 1%. С работой этой термодинамической
машины связано возникновение миграции и рассеяние химических элементов,
так что термодинамические градиенты постепенно разрушаются и структурная
энтропия возрастает. В геоморфологии эти процессы известны как процессы
пенепленизации. Известно, что состояние химического элемента в форме
рассеяния резко отличается от его нахождения в химических соединениях.
Переход атомов из состояния рассеяния в упорядоченное
состояние совершается в исключительных случаях, например посредством
живого вещества (Вернадский, 1978), так как этот период связан с возрастанием
негэнтропии системы. Биота, или живое вещество, по В. И. Вернадскому
(1978), тормозит возрастание в биосфере структурной энтропии и не только
способствует сохранению ее термодинамических градиентов, но и усиливает
их. Например, некоторые морские организмы способны концентрировать рассеянные
в воде химические элементы в 600 000 раз (Марков и др., 1978), а растительный
покров суши может почти полностью остановить твердый и эоловый сток
вещества с материков в моря и океаны и резко снизить ионный сток (Бондарев,
1974).
Установлено, что выдвижение дельты р. Миссисипи в течение
последних 3-5 тыс. лет составило по 22-24 м/год (Бернард, Лембланк,
1968). В настоящее же время в результате разрушения естественной растительности
дельта этой реки выдвигается ежегодно на 100 м. Мутность р. Одер в створе
Медони в 1955 г. составила 70 г/м, а в1960 г.-267 г/м. Твердый сток
с застраиваемых земель в 2-5 раз выше, чем даже в сельскохозяйственных
районах, а со строительных площадок в 10 раз превышает таковой на полях
с пропашными культурами (Бондарев, 1974). Согласно М.Н.Страхову (1960),
средняя интенсивность смыва с освоенных земель в Европе и Северной Америке
в 3-5 раз превышает естественный смыв. В настоящее время свыше 50% твердого
стока с материков Земли в моря и океаны обусловлено антропогенным нарушением
растительного покрова.
Следует обратить внимание на то, что биосфера Земли состоит
из двух весьма различных подсистем, связанных друг с другом исторически
и функционально. Такими подсистемами являются биосфера океана и биосфера
суши. По сравнению с биосферой суши биосфера океана обладает большей
массой живого вещества и, вероятно, выполняет большую биогеохимическую
работу и в ряде случаев выступает как мощная буферная система, обеспечивающая
глобальное геохимическое, климатическое и экологическое равновесие.
Второе важное отличие биосферы океана от биосферы суши в том, что у
них резко различен источник минеральных химических элементов. В океане
это вода, химический состав которойвключает88,64% хлоридов, 10,80% сульфатов,
0,34% карбонатов. На суше источником минеральных химических элементов
служат почвенные растворы с совершенно иным химическим составом: 5,2%
хлоридов, 9,9% сульфатов, 60,1% карбонатов (Богданов и др.,1978).
Таким образом, биосфера нами понимается по В. И. Вернадскому.
Ее функциональные части, взамодействующие друг с другом: атмосфера,
гидросфера, кора выветривание и биота. Экосфера (Вальтер, 1975), географическая
оболочка Земли (Марков и др., 1978), ландшафтная сфера (Демек, 1977)и
биосфера (Вернадский, 1978, 1987) обозначают одну систему явлений и
должны рассматриваться как синонимы. Такое утверждение разделяется немногими
исследователями, большинство же считает их различными понятиями и находит
целый ряд отличающих нюансов, которые, при самом ближайшем рассмотрении
оказываются именно незначительными нюансами, скорее запутывающими понимание
явления, чем облегчающими его.
Биота рассматривается нами как особая дискретная система,
состоящая только из особей живых организмов. Это - живое вещество по
В. И. Вернадскому, или биосфера, понимаемая в узком смысле (Григорьев,
1948; Арманд, 1975). Использование термина ''биосфера'' для обозначения
биоты представляется нецелесообразным, так как в этом случае явление,
открытое В. И. Вернадским и названное им биосферой, должно быть переименовано,
например, в экосферу, что противоречит принципу приоритетности. К тому
же термин ''экосфера'' не оттеняет особой ведущей роли живого вещества
или биоты. Термин ''живое вещество'' для обозначения совокупности живых
организмов биосферы, несмотря на его приоритетность, не совсем пригоден,
так как не отражает главного свойства биоты – ее дискретности и высокой
организованности на уровне особей и видов. Биота – это не аморфная биомасса,
а высоко и многоаспектно организованная система, способная, в свою очередь,
организовывать внешнюю среду, превращая ее в биосферу.
Важной особенностью биоты является ее способность к воспроизводству
в результате смены поколений особей и передаче наследственной информации
от предыдущего поколения к последующему. При этом носителями наследственной
информации являются особые наследственные вещества – дезоксирибонуклеиновая
кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).
Существует принципиальное различие в характере биогеохимической
миграции химических элементов в биосфере океана и биосфере суши. Миграция
вещества в океанических экосистемах не циклическая, а однонаправленная,
причем направлена она на осаждение растворенных в воде элементов путем
перевода их в форму нерастворимых или мало растворимых в воде соединений.
Перевод атомов и ионов в нерастворимую форму может осуществляться как
биогенным, так и абиогенным путем. Длинная цепь трофических уровней
перехода вещества и энергии в океанической экосистеме направлена на
более полное использование вещества и энергии, захваченных в результате
своей жизнедеятельности продуцентами. Энергия, накопленная продуцентами,
максимально используется для осаждения как можно большего количества
растворенных в воде химических элементов: углерода, кальция, кремния
и др.
В океане на биомассу фитопланктона приходиться только
3% (Суетова, 1973), в то время как на суше фитомасса составляет около
99% от общего запаса биомассы (Марков и др., 1978). Таким образом, по
характеру живого вещества биота океана более гетеротрофна, а биота суши
более автотрофна. В океане общая масса биоты обновляется примерно каждые
25 дней, а на суше – какждые 15 лет (Богданов и др., 1978). Это связано
с тем, что в океане основная биомасса приходится на одноклеточные организмы,
а на суше – многоклеточные высокоорганизованные растения, онтогенез
которых растягивается на десятилетия. В океане общая масса биоты обновляется
за счет притока в нее из внешней среды новых атомов, на суше же при
обновлении биомассы повторно используются атомы, из которых состояли
отмершие организмы. В океане возврат осажденных химических элементов
в биологическую цепь превращений не правило, а исключение, и возможен
такой возврат только за счет особых течений – апвелингов (Айзекс, 1981).
Есть основание предполагать, что древнейшие экосистемы
суши работали так же, как и современные океанические экосистемы – на
осаждение вещества – и имели незамкнутый, нециклический тип миграции
химических элементов. В таком ациклическом состоянии биосфера суши Земли,
вероятно, находилась с девона до средины каменноугольного периода. В
это время происходила повсеместная олиготрофизация экосистем суши, резко
снизилась их продуктивность, так как почти все подвижные химические
элементы оказались осажденными в толщах мертвой органики, покрывавшей
не только заболоченные равнины, но и склоны холмов и гор. Экологический
кризис карбона, вероятно, привел к значительному снижению в атмосфере
содержания углекислого газа, образованию и накоплению в огромных количествах
торфов, каменных углей, возможно, это привело к резкому снижению парникового
эффекта атмосферы, похолоданию и оледенению.
Именно поэтому в мезозое началась, а в кайнозое продолжалась
существенная перестройка биосферы суши, переход ее в принципиально новое
биогеохимическое соединение. Поскольку растительный покров суши превратился
в своеобразную ловушку для углерода и элементов минерального (почвенного)
питания, их содержание во внешней среде снизилось, продуктивность покрова
в связи с этим понизилась. Вероятно, сильно снизилась тогда и зольность
фитомассы. Общая же стратегия развития биосферы суши в мезозое и кайнозое,
вероятно, состояла в том, чтобы обеспечить цикличность биогеохимических
превращений элементов в биологическом круговороте, максимально уравновесив
этот круговорот с термодинамическим потенциалом местообитаний.
В качестве основного принципа организации и эволюции
биосферы суши необходимо рассматривать постоянную тенденцию к увеличению
объема и ускорению биологического круговорота химических элементов в
биосфере. Интенсификация биогеохимических процессов достигается самыми
различными путями, например дискретностью жизни и увеличением разнообразия
форм живых организмов, совершенствованием фотосинтезирующего аппарата
и совершенствованием физиологии организмов гетеротрофов. Так, увеличение
разнообразия форм жизни обеспечивает включение в биогеохимический процесс
самых разных местообитаний, а дискретность жизни на уровне особей обеспечивает
такое ее важное свойство, как быстрое ''растекание'' по поверхности
земли и возможность сочетания в одних биоценозах организмов с самыми
разными генетически бусловленными свойствами. Смешанные многовидовые
популяции живых организмов (биоценозы) более оптимально используют экологические
ресурсы местообитаний в условиях суточных, сезонных и разногодичных
колебаний ресурсов этих участков, так как системы, состоящие из большего
числа разнообразных элементов, менее подвержены колебаниям, более устойчивы.
Чрезвычайно интересно, что при прочих равных условиях
КПД использования солнечной энергии на продукционный процесс в растительном
покрове зависит не столько от интенсивности освещения, сколько от совокупности
так называемых эдафических факторов и в первую очередь от объема и скорости
большого геологического круговорота химических элементов, от так называемого
эдафического, или, точнее, термодинамического потенциала местообитания.
Известно, что КПД использования солнечной энергии в растительном покрове
редко превышает 2% (Ничипорович, 1971).
Таким образом, солнечная энергия сама по себе еще не
главный фактор, лимитирующий жизнь на суше, она мало определяет неоднородность
растительного покрова в пространстве и его изменения во времени. На
рис. 1 показано соотношение между большим геологическим и малым биологическим
круговоротами химических элементов на Земле. Основным, естественно,
является геологический круговорот. Его составные части: разрушение материков,
вынос вещества в моря и океаны, процессы пенепленизации; в морях и океанах
идет осадконакопление, со временем осадочные толщи подвергаются метаморфизации,
при этом участвуют эндогенные силы Земли; наконец, в результате эндогенных
процессов вещество вновь может участвовать в образовании материков,
гор и всевозможных вещественных и энергетических градиентов. По всей
вероятности, один цикл геологического круговорота длится около 200 млн.
лет – один Галактический год.
 |
Биологический круговорот (рис. 1) - это элемент
большого геологического круговорота, он задерживает процесс возрастания
структурной энтропии на поверхности планеты, служит как бы ловушкой
не только для солнечной энергии, которая его и движет, но и для
негэнтропии, которая постепенно накапливается в биоте, биосфере
и определяет сущность процесса эволюции. К сожалению, мы все еще
очень мало знаем о биологическом круговороте, о его вариациях
в разных природных зонах планеты, в разных типах локальных экосистем.
Исследования в этом направлении (биогеоценотические исследования)
очень бурно развивались в нашей стране в 60-е – 80-е годы, они
требовали участия больших коллективов ученых разного профиля,
длительной работы на стационарах, больших финансовых затрат. В
последующем, при переходе на так называемое конкурсное финансирование
грантов, в экологических, зоологических и ботанических исследованиях
стали превалировать мелкие темы и «темки», которые можно и должно
завершить в 1-2(3) года. Естественно, что былые коллективы, способные
к комплексным исследованиям, при этом рассыпались. |
 |
Основные особенности структуры малого, или биологического,
круговорота химических элементов изображены на рис. 2. Мы считаем,
что обобщенной характеристикой состояния (объема и скорости) большого
геологического круговорота, а точнее, показателем степени вероятности
потери конкретным местообитанием подвижных форм химических элементов
может служить эдафический, или термодинамический, потенциал местообитания.
Здесь имеется в виду в первую очередь вынос химических элементов
поверхностными и грунтовыми водам. Именно эдафический потенциал
местообитаний, изменяясь в пространстве и времени, определяет изменение
растительного покрова и животного населения в пределах ландшафтного
района. Так, снижение продуктивности сенокосного луга по мере его
использования происходит не потому, что отчуждается энергетический
материал, а в результате обеднения почвы элементами минерального
питания, которые отчуждаются с каждым урожаем сена (Роботнов, 1973).
На решающую роль ресурсов влаги и питательных веществ в функционировании
экосистем южной тайги Валдайской возвышенности указывали В.Г. Карпов
и Г.Ф. Патриевская (1970). |
Резкое снижение эдафического потенциала местообитаний
происходит в экваториальной зоне при уничтожении тропических дождевых
лесов. В этом случае вместе с фитомассой удаляется почти весь запас
подвижных химических элементов, участвующих в биологическом круговороте,
так как латеритные почвы тропиков обладают низкой поглощающей способностью.
Таким образом, говоря об эдафическом потенциале, правильнее соотносить
его все же не с почвой, а с экосистемой в целом. Наиболее отчетливо
это видно на примере экологических систем, развивающихся в условиях
теплого и влажного климата, где угроза потери химических элементов экосистемой
за счет их выноса очень велика. Незначительные запасы подстилки в тропических
лесах при весьма высокой продуктивности этих экосистем свидетельствуют
об очень интенсивном круговороте вещества.
Растения – эпифиты следует рассматривать как средство
для быстрого включения вещества в новый цикл биологического круговорота
химических элементов, освобождающихся при разрушении коры и древесины
деревьев и кустарников, минуя их поступления в почву. Следует заметить,
что эпифитов больше там, где влажнее климат, где больше выпадает осадков
и где больше вероятность выноса химических элементов из почвы за пределы
конкретной экосистемы. На севере в хвойных и лиственных лесах эпифитами
являются мхи, печеночники и лишайники, а на юге к ним в качестве эпифитов
добавляются высшие сосудистые растения. Во влажных тропиках, например,
видов эпифитов много среди представителей семейства орхидных.
Возникновение в результате эволюции растений лиан также
можно объяснить биогеохимически тем, что сообщество крупных деревьев
не может использовать эдафический потенциал местообитания полностью
и включить в биологический круговорот все подвижные элементы. Однако
этих элементов недостаточно для того, чтобы обеспечить онтогенез деревьев.
Кустарники, имея малый габитус, могли бы реализовать этот остаточный
эдафический потенциал, но их развитие под пологом деревьев лимитировано
ресурсами световой энергии. Это экологическое противоречие и было разрешено
Природой в результате эволюции путем возникновения экобиоморфы лиан,
у которых ассимилирующая поверхность вынесена в кроны деревьев на уровень
древесного полога, но достигнуто это минимальными вещественными затратами
- без формирования мощного ствола.
Это тем более важно, так как в древесине стволов деревьев
и кустарников сосредоточена большая масса химических элементов, «выключенных»
из ежегодного обращения в биологическом круговороте. При наличии в сообществе
лиан биогеохимическая работа экосистемой производится при меньших «вещественных
затратах», т.е. более оптимально. По мере эволюции экосистем в них,
вероятно, происходило снижение запаса биомассы на единицу биогеохимической
работы, поэтому отношение продуктивности экосистемы (первичной продуктивности)
к запасу биомассы этой системы является одной из самых важных характеристик
биологического круговорота. Это отношение можно назвать коэффициентом
оборачиваемости вещества в биологическом круговороте в конкретной экосистеме.
С.С.Шварц (1973) отмечал, что взаимосвязанность или сопряженность
эволюции видов, слагающих биоту, наиболее отчетливо проявляется в сходстве
их наиболее общих физиологических реакций на изменение условий среды.
При этом свойства экосистемы как целого в той или иной степени отражаются
в свойствах составляющих ее популяций.
 |
Принцип интенсификации биологического круговорота
химических элементов наиболее ярко проявляется в экологической роли
травоядных животных, или консументов 1 (рис. 2). На это указывали
многие исследователи, в частности Б.А.Тихомиров (1970) писал, что
растительная масса, накопленная автотрофами (растениями) идет в
пищу млекопитающих, которые своими экскрементами и трупами удобряют
почву и тем самым ускоряют продукционный процесс у растений и способствуют
повторному использованию в течение одного вегетационного периода
элементов минерального питания. Например, во время массового размножения
насекомых вредителей происходит обогащение опада и почвы фосфором,
азотом и калием. При этом усиливается активность обитателей почвы,
происходит обогащение почвенных |
растворов, повышение содержания СО2 в приземном
воздухе. В результате этого продукционный процесс в растительном покрове
интенсифицируется. Весьма примечательно, чти период наиболее интенсивного
минерального питания у гусениц сибирского шелкопряда, например, совпадает
с максимумом накопления сухого вещества в хвое (Коломиец, 1958).
Исследуя влияние различных групп животных (автотрофный
цикл биологического круговорота, Р.И.Злотин и К.С.Ходашева (1973) пришли
к выводу, что основная роль животных в экосистеме заключается не в рассеивании
энергии, накопленной продуцентами, и переработке первичной продукции,
а в участии в процессах биологического круговорота, прежде всего во
влиянии на его автотрофный цикл. Животные выступают в качестве своеобразных
катализаторов и способствуют большей эффективности функционирования
экосистем и их большей устойчивости. В этом смысле расходование первичной
продукции есть уже не потеря, а одно из свойств биологического круговорота.
При участии консументов интенсификация круговорота происходит за счет
ускорения процессов, а не за счет увеличения количества вещества в потоке
круговорота. Так, полевки при численности 100 особей на 1 га. Отчуждают
около 4% чистой первичной продукции лугового растительного покрова на
среднем Урале (Давыдов, 1978). При этом с экскрементами в среднем за
1 сутки от них поступает около 30 г азота, 2 г фосфора и 40 г калия
на 1 га. Палевки ускоряют миграцию практически всех элементов, находящихся
в поедаемыхрастениях. Это способствует неоднократной реассимиляции элементов
в течение одного вегетационного сезона.
 |
Установлено,
что определенная нагрузка травоядных животных на фитоценоз способствует
большему выходу фитомассы, чем ее разовое изъятие в период максимальной
продукции (Давыдов, 1978). Эффект стравливания особенно отчетливо
проявляется на следующий вегетационный период. Повышается продуктивность,
изменяется видовой состав сообществ растений, так как животные
подвергают большей депрессии поедаемые растения, у непоедаемых
же биомасса на следующий год после стравливания возрастает в 2-4
раза (Давыдов, 1978). Следовательно, роль животных консументов
сводится не только к увеличению интенсивности биологического круговорота,
но и к поддержанию высокой численности видов и экобиоморф растений
в фитоценозах (Галанин, 1980).
Мы считаем, что особенно актуальными в настоящее
время являются исследования локальных экосистем, направленные
на количественную оценку объемов и скорости оборота вещества,
проходящего через разные компоненты растительного покрова: древесину,
листья, кору, траву, мхи и лишайники. При этом должны раздельно
оцениваться потоки разных химических элементов, в первую очередь
углерода, азота, фосфора серы, калия и кальция. |
Читать следующую главу
